Het perfecte huwelijk tussen betonkern-activering en geothermie

Geothermie

Geothermie is het winnen van aardwarmte uit de ondergrond. De temperatuur in de kern van de aarde bedraagt zo’n 5.000 °C. In België heerst er vanaf 18 m diepte een evenwichts-temperatuur van 10 tot 12 °C. Ook in de ‘ondiepe’ ondergrond – tot 500 m – zit al een immense hoeveelheid thermische energie die zich voortdurend hernieuwt. Bij winning van warmte uit de hogere aardlagen (tot 500 m) spreken we van ‘ondiepe geothermie’. Vanaf 500 m diepte is er sprake van ‘diepe geothermie’. In beide gevallen speelt de warmtepomp een rol in het winningsproces. Dat onderdeel van de geothermie is cruciaal voor de positieve link met betonkernactivering. 

Voor de proeven in dit onderzoek was alleen ondiepe geothermie van toepassing. Op verschillende toepassings-systemen – open of gesloten – gaan we hier niet verder in. U kan ze nalezen op smartgeotherm.be of in BETON 229.

Winstfactor warmtepomp

De winstfactor van een warmtepomp (Coefficient Of Performance, kortweg COP) geeft aan hoeveel nuttige energie wordt opgewekt met 1 kWh verbruikte energie. Het verbruik van een warmtepomp wordt voornamelijk bepaald door het te bereiken temperatuurverschil tussen warmtebron en warmteafgiftesysteem. Hoe kleiner het verschil, hoe groter de COP. 

Bij plafond- en vloerverwarming zal de temperatuur van het afgiftesysteem veel lager liggen (30 à 40 °C) dan bij radiatoren en convectoren ( 50 à 70 °C). Bij gebruik van geothermie is de temperatuur van de warmtebron relatief hoog. Het verschil is klein waardoor de COP van de warmtepomp in combinatie met geothermie en betonkernactivering kan oplopen tot 5,7. In het kader van deze studie werd de COP beperkt tot de normatief vastgelegde waarde van 5.

Een warmtepomp is dus bijzonder geschikt voor warmte-afgiftesystemen die op een lage of zeer lage temperatuur werkzaam zijn. 

Thermische opslag

Een belangrijke parameter om vloer- of plafondverwarming bij lage aanvoertemperaturen te kunnen aanwenden, is de thermische capaciteit van het afgifte-oppervlak. Thermische opslag is pas mogelijk als het materiaal in kwestie voldoende energie kan opslaan én een periode kan vasthouden, om later, afhankelijk van de ruimtetemperatuur, weer af te geven via het oppervlak. We noemen dat ‘thermische inertie’ of ‘thermische massa’. Belangrijk daarbij is dat de massa ook ‘toegankelijk’ moet zijn voor de thermische energie. Concreet moet je afzien van isolerende afwerkingsmaterialen, verhoogde vloeren of verlaagde plafonds. Het materiaal moet vrij warmte (of koelte) kunnen ‘uitstralen’.

Beton heeft een behoorlijke capaciteit om tijdelijk warmte op te slaan. De snelheid waarmee staal opwarmt of afkoelt, is bijvoorbeeld tot 15 maal groter dan beton. Zo kan het gebruik van thermische inertie de warmtebehoefte doen dalen, en de vraag aan bijkomende koeling overbodig maken. Maar als het gebouw onvoldoende thermische capaciteit heeft, of de opgeslagen energie onvoldoende kan afvoeren tijdens de nacht, kan men de massa van het gebouw thermisch activeren.

Activering

Door in de kern van de betonnen vloer of wand watervoerende leidingen te integreren, kan de opgeslagen thermische energie versneld worden afgevoerd, waardoor het koelend vermogen van de massa vergroot. Men spreekt van betonkernactivering (BKA). 

Betonkernactivering werkt zelfregulerend. Naarmate het verschil tussen de ruimtetemperatuur en de temperatuur van het betonoppervlak groter wordt, neemt het vermogen toe om warmte op te nemen of af te geven.

De vermogensoverdracht valt dan ook stil als de ruimte te koud (koeling) of te warm (verwarming) dreigt te worden. Omgekeerd geldt dat het beschikbare vermogen stijgt als de ruimte bij koeling te warm wordt en bij verwarming te koud wordt.

Tijdens het koelseizoen kunnen de voordelen van hoge aanvoertemperaturen groot worden als er dankzij betonkernactivering free geocooling kan worden toegepast. Indien om het gebouw te koelen alleen de circulatiepomp moet draaien en er water van de aardwarmtewisselaar kan gebruikt worden zonder een koelmachine te passeren, kan er een enorm hoge ratio van energie-efficiëntie (EER) worden behaald. Voor elke eenheid elektriciteit die gebruikt wordt, zijn er 10 tot 20 eenheden warmte die kunnen worden verwijderd, afhankelijk van de specifieke situatie. 

Deze geothermische koeling kan ook met andere systemen, zoals vloerkoeling, plafondkoeling of soms ook overgedimensioneerde koelbalken functioneren, maar dan mag de temperatuur van het koelwater toch niet boven 18°C uitstijgen. 

Casestudy

Het cruciale belang van de COP van de warmtepomp bij het winnen van aardwarmte enerzijds, en de eigenschap van de thermische opslagcapaciteit van beton anderzijds, doet vermoeden dat betonkernactivering door middel van geothermie een duurzaam en toekomstgericht HVAC-systeem vormen. Door het grote warmtewisselend oppervlak in vergelijking met radiatoren, volstaat een klein temperatuurverschil tussen het afgiftesysteem (de BKA) en de ruimte.

De onderzoekers van SmartGeotherm maakten een beperkte studie naar de thermische opslag in verschillende omstandigheden. Niet op een statische manier zoals in de EPB, evenmin via een dynamisch gebouwsimulatie-programma dat heel veel parameters en inputs vergt. Als tussenoplossing kozen zij voor een gereduceerd model waar gefocust kan worden op de invloed van de warmteweerstanden (R) en warmtecapaciteiten (C) in het systeem van klimaat-zonelucht-wand-en-emissiesysteem. 

Voor deze beperkte parameterstudie passen ze een dergelijk RC-model toe op een open kantoorruimte met één tussenliggende verdieping uit een kantoortoren en met verschillende parameters, met name betonkernactivering tegenover radiotoren, lichte structuur versus betonnen structuur, met en zonder nachtkoeling. 

In Figuur 1 zien we het verschil in energieverbruik voor de verschillende alternatieven. Figuur 2 toont de jaarlijkse energiekost van de alternatieven.

Jaar-energieverbruik voor een snel verwarmingssysteem zonder nachtventilatie

In januari en december ligt de bruto-verwarmingsbehoefte (inclusief afgifte- en regelverliezen) 8% hoger voor een zware structuur, maar dit wordt ruimschoots goedgemaakt in de lente (maart-mei) en herfst (september-oktober), waar door de betere buffering van warmtewinsten zowel de energie voor verwarming als voor koeling wordt gereduceerd.

Over het gehele jaar wordt er dankzij de zware structuur 11.5% minder energie verbruikt voor verwarming en 17.7% minder energie voor koeling. 

BKA met lichte of zware structuur

We zien nauwelijks een verschil tussen de kantoorgebouwen met lichte of zware wanden. Vloer en plafond zijn sowieso zwaar en bereikbaar aangezien er betonkernactivering is toegepast. De thermisch geactiveerde bouwsystemen (TABS) maken dan ook de bulk van de warmtecapaciteit uit en de wanden spelen nog maar een kleine rol (afbeelding 13)

Vergelijking van BKA met snelle afgiftesystemen 

Wél relevant is het verschil tussen zware tegenover een lichte structuur, wanneer een snel afgiftesysteem wordt gebruikt. Met snelle afgiftesystemen levert een zware structuur t.o.v. een lichte structuur een verschil in energiekost op van 16% (100-84).

Aangezien de betonkernactivering zo wordt aangestuurd dat verwarmen en koelen op dezelfde dag wordt tegengegaan en de massa van het beton zoveel mogelijk passief werkzaam is, zien we het verschil in de tussenseizoenen teruglopen. Over het hele stookseizoen hebben de kantoren met TABS nog maar een 6% hogere warmtebehoefte voor de lichte structuren en een 18% hogere voor de zware structuren. In het koelseizoen presteren de TABS zelfs 10% beter in vergelijking met de snelle koelsystemen in een lichte structuur, maar wel nog 10% slechter in vergelijking met de zware gebouwen waar de thermische massa op een passieve wijze kan worden gebruikt. 

Effect van extra nachtkoeling bij BKA

In de zomer is de warmtecapaciteit van zowel een licht als een zwaar gebouw volledig benut en opgeladen. De structuur kunnen we terug proberen te ontladen via nachtventilatie. Die moet ervoor zorgen dat de structuur zijn warmte terug kwijt kan aan de koudere lucht, zodat vanaf ’s morgens de vrijgekomen buffercapaciteit terug kan worden ingezet. 

Bij lichte structuren zal gedurende de nacht de temperatuur vrij snel dalen. Men moet ervoor zorgen dat het kwik ‘s nachts niet onder de comforttemperatuur daalt, waardoor ‘s morgens terug verwarmd moet worden.

Bij een zware structuur is veel warmtecapaciteit beschikbaar en zal de temperatuurdaling ’s nachts langzamer verlopen. Hierdoor kan de nachtventilatie wel heel de nacht doorlopen en veel meer warmte uit de structuur verwijderen. Overdag is er dan ook weer meer buffercapaciteit ter beschikking om warmtewinsten op te vangen.

Extra passieve koeling via nachtventilatie is een optie die een kantoor met TABS ten goede kan komen; het verbetert in dit geval vooral de balans tussen warmte- en koelbehoefte, wat geothermische installaties ook ten goede kan komen. Een performante zonnewering zou een gelijkaardig resultaat kunnen opleveren.

Bestuderen we het effect van nachtventilatie op lichte structuren en zware structuren, telkens uitgerust met BKA, dan zien we een lichte stijging van 2% voor de verwarmingsbehoefte, maar een daling van 42% respectievelijk 44% voor de koelbehoefte.

Algemene conclusie

De casestudy – die we hier beknopt hebben weergeven – toont aan dat bij snelle afgiftesystemen een zware structuur t.o.v. een lichte structuur een verschil in energiekost oplevert van 16%.

Nachtventilatie doet de koelkost bij lichte structuren met 23% dalen. Bij zware structuren daalt deze kost met 47%. Belangrijker nog is dat door de toepassing van betonkernactivering de energiekost tegenover snelle systemen tot 61% daalt. Er is in dat geval nagenoeg geen verschil meer tussen lichte en zware structuren. Door gebruik van geactiveerde bouwdelen is er voldoende thermische buffer in de betonnen vloeren aanwezig. Ook de toepassing van nachtventilatie maakt nog relatief weinig verschil in de totale jaarlijkse energiekost.

Algemeen kunnen we uit de casestudy van SmartGeotherm besluiten dat betonkernactivering, mits correct toegepast en gecombineerd met geothermie, een bijzonder efficiënte technologie kan zijn die de energiekost door drie deelt. Het biedt ook een grote buffercapaciteit waardoor de flexibiliteit van de warmte- of koelproductie toeneemt. Wanneer elektriciteitsprijzen in de toekomst zullen fluctueren naargelang het aanbod, kan er vrij gemakkelijk een paar uur geschoven worden met het aan- of uitschakelen van de warmte- of koelproductie.